103747 - GMLD Steiermark

A03. j~ t-
"Vulkanite der Oststeiermark"
von
Andrea Jäger
Leoben, den 20.01.2004
1
ALLGEMEINER ÜBERBLICK ............................................................ 1
2
GEOLOGISCHER UND GEOGRAPHISCHER ÜBERBLICK DER
VULKANITE .............................................................................................. 3
2.1
Der Vulkanismus des Miozäns ................................................................. 6
2.2
Der Vulkanismus des Plio-/ Pleistozän .................................................... 7
3
PETROLOGIE .................................................................................... 8
3.1
Einleitung ................................................................................................... 8
3.2
Wichtige Begriffserklärungen ................................................................ 11
3.2.1
Basanit ............................................................................................. .. 11
3.2.2
Epiklasten ........................................ ....... .................................. ......... 11
3.2.3
Lahar ................................ ......... ......................................... ............... 11
3.2.4
Lava ................................................................................................... 11
3.2.5
Maar, Maarsee ..... ................................................................ ......... ..... 11
3.2.6
Olivinbon1ben ................................................................................. ... 12
3.2.7
Phreatomagmatische Explosion .............................. .......... ................ 12
3.2.8
Pyroldastika ... ..... .... .................. .... ............................ ......................... 12
3.2.9
Tuff.................................................................................................... 14
3.2.10
Tuffit ................................................................................................. 14
4
PROBENGEBIETE ........................................................................... 15
4.1
Klöch ........................................................................................................ 16
4.2
Bad Gleichenberg .................................................................................... 18
4.3
Burg Kapfenstein .................................................................................... 19
4.4
Beistein ..................................................................................................... 20
5
PETROLOGIE .................................................................................. 21
5.1
Klöch ........................................................................................................ 21
5.1.1
Blasige Basaltschlacke (KL-BH) ...................................................... 21
5.1.2
"Sonnenbrenner"-Basalt (I(L-SB) ............ ............... ... ...... ................ 21
5.2
Bad Gleichenberg .................................................................................... 22
5.2.1
5.3
Burg Kapfenstein .................................................................................... 23
5.3.1
5.4
Asche Lapilli-Tuff (KA-ALT 3) ....................................................... 23
Beistein ..................................................................................................... 23
5.4.1
6
Latit ................................................................................................... 22
Asche-Lapilli -Tuff ............................................................................ 23
LABORMETHODIK .......................................................................... 26
6.1
Einleitung ................................................................................................. 26
6.2
Korndichte und Porosität ....................................................................... 27
6.3
Magnetik .................................................................................................. 28
6.4
Wärmeleitfähigkeit ................................................................................. 29
6.5
Seismik ..................................................................................................... 30
6.6
Elektrische Leitfähigkeit ........................................................................ 31
6.7
Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) ................................................ 33
7
PETROPHYSIKALISCHE ERGEBNISSE ........................................ 34
8
ZUSAMMENFASSUNG .................................................................... 39
9
LITERATURVERZEICHNIS ............................................................. 40
II
1 Allgemeiner Überblick
Im Auftrag der Vereinigung für Angewandte Lagerstättenforschung in Leoben
(VALL) mit den Projektleitern Prof. Dr. H. Mauritsch und Prof. Dr. J. Schön
wurde die Aufgabe gestellt, petrologische und petrophysikalische Eigenschaften
von Vulkaniten der Oststeiermark zu untersuchen. Zusammen mit Herrn Dr.
Ingomar Fritz vom Steiennärkischen Landesmuseum Joanneum, Abteilung für
Geologie und Paläontologie und Ao. Universitätsprofessor Johann Raith vom
Institut für Mineralogie der Montanuniversität Leoben wurden unterschiedliche
Vorkonunen von Vulkaniten begangen. Von vier Lokalitäten wurden Proben
genommen und zur weiteren Bearbeitung verwendet.
Durchgefülu1e Untersuchungen:
•
Petrologischer Teil
1. petrologische Beschreibung (Handstücke, Dünnschliffe)
•
Petrophysikalischer Teil
2. Probenaufbereitung (Würfel, Bohrkerne)
3. Untersuchung wichtiger petrophysikalischer Eigenschaften wie
•
Porosität
•
Dichte
•
Magnetische Suszeptibilität
•
Wärmeleitfähigkeit
•
Seismische Eigenschaften
•
komplexe elektrische Leitfähigkeit
I. Petrologischer und
geologischer Teil
2
2 Geologischer und geographischer Überblick der
Vulkanite
Das steirische Becken liegt am Ostrand des Alpenbogens und ist als Randbucht
des Pannonischen Beckens zu sehen. Seine nördliche und westliche Umrandung
bilden geologisch mannigfaltige Gesteine des Erdaltertums wie Kristallingesteine
(KOl·alpe, Stubalpe, Gleinalpe, Fischbacheralpe, Wechsel) und Karbonatgesteine
des Grazer Paläozoikums. Eine Gliederung des Beckens erfolgt durch die N-S
verlaufende Mittelsteirische Schwelle, die durch die Bergzüge Plabutsch - Sausal
- Poßruck obertägig markiert ist. Die NE-SW verlaufende Südburgenländische
Schwelle trennt das Steirische vom restlichen Pannonischen Becken. Durch diese
Aufragung des Untergrundes kam es zu verschiedenen Entwicklungen in den
Teilbecken, die sich unter anderem in der Sedimentmächtigkeit dokumentieren
(Weststeirisches Becken etwa 800 m, Oststeirisches Becken etwa 3.000 m). Die
Bildung dieser Becken und die damit in Zusammenhang stehende gleichzeitige
Verfüllung begann vor ca. 20 Millionen Jahren. Als Sedimente kommen
überwiegend Sande - alternierend mit Tonen und Schottern - vor, was durch den
Wechsel von marinen I, linmischen2 und fluviatilen 3 Ablagerungsmechanismen
beglündet ist.
Ein Charakteristikum des Steirischen Beckens stellt die ehemalige starke
vulkanische Aktivität dar. Dieser Vulkanismus, Teil eines Vulkanbogens, der von
Slowenien bis weit in den Karpatenbogen reicht, wird zwei zeitlich, chemisch und
genetisch verschiedenen Perioden zugeordnet und auf Dehnungstektonik im
Untergrund zurückgefuhrt.
Die wirtschaftliche Bedeutung des Weststeirischen Beckens ist vielfaltig (FRITZ,
2002). Sowohl
im West-
als
auch im
Oststeirischen Raum
gibt
es
Kohlevorkonm1en. Die Leithakalke werden als Baustein und Grundstoff in der
1
Bezeichnung für sämtliche unter Mitwirkung des Meeres und im Meer ablaufenden Vorgänge
und sich bildenden Fonnen.
2
Bezeichnung für Vorgänge, Produkte und Ablagerungen in Süßwasserseen.
3
Von Flüssen ausgearbeitet, fortgetragen, abgelagert oder angereicheli.
3
Zementindustrie verwendet. Das Material aus den Tongruben (z.B.: Illittone) wird
in der Ziegel industrie verarbeitet.
Der berühmte "Trass" wird im Raum Bad Gleichenberg gewonnen. Kiese, Sande
und auch Splitte, hergestellt aus pliozänen Basalten und Latiten des älteren
Vulkanismus, werden für industrielle Zwecke verwendet.
Geologische Zeittafel
Mio
Zeitalter
Epoche Jahre
Periode
Holozän
3,5
5,5
Pliozän
5,5
Pont
8,5
Miozän
23
Pannon
11.5
Oligiozän
37
Sarmat
13,5
Eozän
54
Baden
16.8
Paläozän
65
Karpat
17.3
Kreide
OUhang
19
Jura
Eggenburg
22
Ol
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Tertiär
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245
Trias
Perm
Karbon
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co
0..
Devon
Silur
Ordovizium
550
Kambrium
4600
Präkambrium
Abbildung 2,1 : geologische Zeittafel (nach R6GL und STEININGER, 1983)
4
Der im Karpat (Miozän) aufflammende Vulkanismus ist an N-S verlaufende
Störungssysteme gebunden und sorgt für eine Akzentuienmg des Reliefs. Diese
riesigen Vulkanbauten (ca. 30 km Basisdurchmesser) mit Zentrum um Bad
Gleichenberg ragten teilweise aus dem Meer auf, welches sich langsam von S in
Richtung NE ausbreitete. Rund um diese Inselvulkane kann die Bildung von
Saumriffen nachgewiesen werden. Die ausgeworfenen, feinen Aschepartikel
wurden in hohen Luftschichten weit verdriftet und kamen so unter anderem auch
in den inneralpinen Talungen (Mur-Mürztal) und im Randbereich des Steirischen
Beckens zur Ablagerung. DOli dokumentiert sich diese vulkanische Aktivität in
geringmächtigen Bentonitlagen. Bentonite sind Tone, die durch chemische
Umwandlung aus einem glasigen, magmatischen Ausgangsmaterial hervorgingen.
Im Baden kOlmnt es zu einer einheitlichen Absenkung des gesamten Steirischen
Beckens durch eine Ingression4 . Die Spitzen der Vulkane ragen weiterhin als
Inselvulkane aus dem Meer.
Mit Beginn des Sarmat ist die Sedimentation im Weststeirischen Becken im
Wesentlichen abgeschlossen. Es kommt durch eine Abschnürung von der
Paratethys (offenes Meer in SE-Europa) zur allmählichen Aussüßung und
Verbrackung des entstandenen Binnenmeeres. Als Ablagerungen finden sich vor
allem TOlilllergel mit Sandstein und Feinschotterlagen, lokal kam es zur Bildung
von fossilreichen Kalken.
Im Pannon beginnt die Aussüßung der restlichen marinen Bereiche. Grob- und
Feinsedimente werden abgelagert. Einer Wechselfolge von tonigem und sandigem
Material sind Schotter mit weiter horizontaler Verbreitung zwischengelagert.
In das Pliozän, die radiometrischen Altersangaben der Basalte schwanken
zwischen 1,7 und 3,8 Mio. Jahren, fallt die zweite Eruptionsphase im
Oststeirischen Raum. Dieser basaltische Vulkanismus dokumentiert sich in drei
großen Lavaflüssen (Klöch, Stradnerkogel, Steinbergl Feldbach) und ca. 30 - 40
Tuffschloten. Dabei handelt es sich um Durchbruchsröhren (pipes), deren Bildung
auf stark explosive Vulkanaktivität zurückzuführen ist.
4
Bezeichnung für ein langsames Vordringen des Meeres in festländische Räume. Charakteristisch
ist das Fehlen von Transgressionskonglomeraten und ein allmählicher Übergang von festländisch!
limnisch-fluviatilen zu marinen Sedimenten in der Ablagerungsfolge.
5
Diese
Vulkanexplosionen
formten
primär emen Trichter,
der
in
emer
weitestgehend verebneten Landschaft eingesenkt war. Solche Hohlformen wurden
durch zurilckfallendes vulkanisches Lockermaterial und durch Material aus
einstürzenden Wänden im Randbereich des Kraters rasch wieder verfüllt. Die
verfestigten abgelagerten Gesteine werden als Tuffe bezeichnet und nach
Korngrößen klassifiziert.
In einigen alten Steinbrüchen bezeugen die vorwiegend gut geschichteten,
schmalen Lagen eine rasche Aufeinanderfolge von zahlreichen Einzeleruptionen.
Am Ende der vulkanischen Aktivität kam es an einigen Lokalitäten, z.B. in Bad
Gleichenberg, Fehring, Pertlstein und Altenmarkt bei Riegersburg zur Bildung
von Maarseen.
Seit Beginn des Neogens kam es durch Flüsse zur Tiefenerosion und damit zur
ModelIierung der heutigen Hügellandschaft. Dabei wurden die ehemaligen
Vulkanschlote aus der umgebenden weichen Sedimenthülle herausgeprägt. Die
jungen Vulkanite haben die Abfolge des Neogens durchschlagen und liegen heute
obertägig anstehend zum überwiegenden Teil südlich der Raab. Sie sind
eingebettet in und auf den Sedimenten des Pannons (Feldbach, Pertlstein, Bereich
südlich von Fehring), aber auch in und auf Sedimenten des Sarmats (Klöch,
Hochstraden, Gnas).
Aufgrund ihrer größeren Verwitterungs- und Erosionsbeständigkeit heben sie sich
gegenüber von vorwiegend unverfestigten ldastischen Sedimenten zumeist
morphologisch von ihrer Umgebung ab (Kapfenstein, Riegersburg).
Die berühmten Thermalquellen in diesem Gebiet sind auf postvulkanische
Tätigkeit zurückzuführen.
2.1 Der Vulkanismus des Miozäns
Die ältere, im Miozän stattgefundene Vulkantätigkeit lieferte vor allem latitische
(relativ SiOrreiche, K-betonte) Gesteine. Der größte Teil der geforderten
Vulkanitmassen liegt als flache Schildvulkane unter den jüngeren Sedimenten.
Bei Bad Gleichenberg und Weitendorf bei Wildon finden sich obel1ägige
Aufschlüsse.
6
2.2 Der Vulkanismus des Plio-/ Pleistozän
Diese vulkanische Tätigkeit förderte nur basische, d.h. basaltische (Si0 2-arme,
Na-betonte) Laven. Steinberg bei Feldbach, der Stradnerkogel südlich von Bad
Gleichenberg und der ehemalige Kesselkrater von Klöch sind Beispiele für
vulkanische Tätigkeiten im Plio- und Pleistozän. Es gibt weitere 30 bis 40
Tuffschlote (pipes), die charakteristisch für explosive Ausbrüche sind.
(Bericht
"Exkursion
durch
das
Steirische
Becken
1993"
-
1.
FRITZ;
Exkursionsführer "Wandertagung Bad Gleichenberg 1994" - H.-L. HOLZER
Exkursionsführer "Schlacken Tuffe Maare Vulkanminen der Oststeiem1ark 2002" - 1. FRITZ)
7
Eine Studienreise zu den
3 Petrologie
3.1 Einleitung
Vulkanite (Extmsivgesteine) gehören zur Großgmppe der magmatischen
Gesteine, zu denen noch die Plutonite (Intmsiva) gezählt werden. Magmatite
entstehen durch Verfestigung einer Gesteinsschmelze.
Vulkanite werden bei rascher Abkühlung gebildet. Typische Merkmale solcher
Gesteine sind Einsprenglinge, die sich bildeten, als das Magma noch in der Kruste
war. Diese zum Teil großen Kristalle "schwimmen" in einer feinstkörnigen bis
glasigen Gmndmasse (Matrix), die während der Emption gebildet wurde. Die
Kristallisation
der
Schmelze
erfolgte
rasch.
Diese
Stmktur
wird
als
"porphyrisches Gefüge" bezeiclmet. Zudem treten noch "Löcher" oder Poren auf,
die durch Entgasungsprozesse entstehen. Tabelle 3.l. sowie Abb. 3.2 und Abb.
3.3 geben einen Überblick über die Einteilung der Vulkanite.
Magmatite
sauer
Plutonit
Granit
Granodiorit
Diorit
Gabbro
Vulkanit
Rhyolith
Dazit
Andesit
Basalt
intermediär
basisch
Zunahme von Ca, Mg, Fe, Schmelztemperatur
Zunahme von Si0 2, Na, K, Viskosität
Tabelle 3.1: Einteilung der Magmatite
Si0 2-reiche Magmatite sind dominiert von hellen Komponenten, vor allem Quarz,
K- und Na- Feldspäte (Orthoklas und Albit), Feldspatvertretern und Muskovit.
Im Gegensatz dazu sind dunkle Minerale wie Amphibole (Hornblende), Pyroxene
(Augit, Diopsit, Bronzit), Olivin, Biotit, Magnetit und Zirkon, welche bei höheren
Temperaturen laistallisieren, die Hauptbestandteile in Si0 2-armen, mafischen
magmatischen Gesteine.
8
Zwei Ausscheidungsfolgen der Kristallisation bewirken eme Differentation der
Schmelze (Abb. 3.1).
In der kontinuierlichen Reaktionsreihe der Feldspäte werden zuerst Ca-reiche
Kristalle gebildet, anschließend kristallisieren Na-reiche Minerale. Es kommt
dabei zu keiner Kristallstrukturänderung (Na und Ca werden lediglich
ausgetauscht) .
Die diskontinuierliche Reaktionsreihe der mafischen Minerale ruft eme
Veränderung der Kristallstruktur durch unterschiedliche Anordnungen der Si0 4 Tetraeder in einzelnen Mineralen hervor.
Während des Abkühlens der Schmelze kristallisiert Olivin bei 1800°C. Unter
1557°C bildet sich Pyroxen und die zuvor ausgeschiedenen Olivinminerale
werden
m
Pyroxen
umgewandelt.
Ab
1543°C
entsteht
Cristobalit
(Hochtemperaturmodifikation von Quarz) neben Pyroxen.
Magmatyp
gleichzeitige Kristallisation
FruhkristalhsZihon
bel l10han
lemperaturen
oasZlILsch
(- 1000 'CI
and eSltlsch
I Sv J
;t,
gr3t\tt!sct,
Kalifeid spat
Quarz
Muskovit
Spalknslallisatiol,
bei niedrigen
Temperaturen
(~600
'e}
Abbildung 3.1: Bowensche Reaktionsreihe (nach PRESS und SIE VER, 1995)
Explosive Tätigkeiten weisen auf einen hohen Gasgehalt des Magmas hin.
Basaltische Laven haben, wie aus der Tabelle ersichtlich, einen niedrigen Gehalt
an Si0 2, hohe Temperaturen, wodurch die Lava dünnflüssig ist und eneichen
hohe Geschwindigkeiten. Zähflüssige Laven besitzen hohe Kieselsäuregehalte
und niedrige Temperaturen.
9
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d.cI;dt2 d.:fll1.lli.nn.. rdt·..' to .\.('t~l;!),.. U.2 ~
Abbildung 3.2: Streckeisendiagramm der Vulkanite
I
; / ,tlyclrlöid
20
20
1
lrachytoid
A
\ andesilokl
basalIod
p
10
I<)
\
\
phonoliloid
\
Icphr-=oid
\
60
&0
Abbildung 3.3 Streckeisendiagramm
Vulkanite
Preliminary QAPF cl.1ssific:uioll cf
'>'oleanie rades for fie Id use (after StJcckcisen.
1979. Fig. 1)
10
3.2 Wichtige Begriffserklärungen
3.2.1
Basanit
Feldspatvertreter (Foid)-führender Basalt
3.2.2
Epiklasten
Epiklasten sind Ablagerungen, die durch Verwitterung und Erosion entstanden
sind und im Zuge von Gravitation, Wind, Wasser oder Eis transportiert wurden.
3.2.3
Lahare
Lahar
sind
Schlanun-
oder
Schuttströme,
die
aus
wassergesättigtem
vulkanischem Material zusammengesetzt sind. Sie können in Abhängigkeit von
Hangneigung und Dichte hohe Geschwindigkeiten eneichen und zum Teil
metergroße Blöcke mittransportieren.
3.2.4
Lava
Lava ist das an der Oberfläche ausfließendes Magma. Lava und Magma besitzen
nicht dieselbe Zusammensetzung, da bei der Eruption leichtflüchtige Bestandteile
entweichen.
3.2.5
Maar, Maarsee
Maare sind vulkanische Bildungen von trichter- bis schüsselfOrmiger Gestalt,
eingetieft in einen beliebigen Untergrund. Meist sind sie von einer Decke oder
einem niedrigen Wall vulkanischer Auswurfsprodukte umgeben. Die Bildung der
Maare geht auf den Kontakt von im Schlot aufsteigendem heißen Gesteinsmaterial
mit dem Oberflächen- oder Grundwasser zurück. Dabei werden heftige
Explosionen ausgelöst. Wenn sie in Tiefen von einigen 100 m stattfinden, können
Hohlräume ausgesprengt werden, in die größere Schollen einbrechen.
Ein mit Wasser gefülltes Maar wird als Maarsee bezeichnet. Häufig werden in
diesen feinsandige, siltig-tonige, sandig-kieselige Sedimente abgelagert.
(MURA WSKI und MEYER, Geologisches Wörterbuch, 1998)
11
3.2.6
Olivinbomben
Eine Mineralzusammensetzung von Olivin, Pyroxen und Spinellen, die unter
extremen Drucken (15 - 27 kbar), bei Temperaturen zwischen 940 - 1l00°C und
Tiefen von 50 bis 80 km (Erdmantel) entsteht.
3.2.7
Phreatomagmatische Explosion
Bei explosiven Vulkanausbrüchen erfolgt eine Fragmentierung des Magmas beim
Austritt an der Erdoberfläche infolge von Expansion von magmatischen Gasen
und Einwirkung von externen Wasser. Kennzeichen von phreatomagmatisch
entstandenen
Gesteinen
sind
Glasbildung
und
gennge
Blasigkeit
der
Komponenten aufgrund der Abschreckung des Magmas durch Wasser(dampf).
Synsedimentäre Defonnationsgefüge und schlechte Sortierung, hervorgerufen
durch den Transport in wassere dampf)reichen Systemen, sind zudem typisch.
Weitere Merkmale sind deutliche Schichtung und geringe Schichtmächtigkeiten
des
abgelagerten Materials wegen der hohen Frequenz und Zahl von
Eruptionsereignissen. Die Expansion von Wasserdampf im Nebengestein bei der
Eruption verursacht eine starke Fragmentierung und einen hohen Gehalt desselben
in den Ablagerungen. Da die Energie für das Aufheizen des Wassers benötigt
wird, kommt es zur Ausbildung einer niedrigen Eruptionssäule und Ablagerungen
nahe des Kraters.
Die Bildung von Maaren und deren Ablagerungen werden überwiegend auf
phreatomagmatische Entstehungsprozesse zurückgeführt.
3.2.8
Pyroklastika
Bei plötzlicher Druckentlastung (z.B. bei explosionsartigem Ausbruch emes
Vulkans) wird Magma durch das rasche Entweichen der in ihm enthaltenen Gase
vielfach völlig zerfetzt. Die Schmelzfetzen oder -tröpfchen erstarren dann in der
Luft zu Schlacken oder feinen glasigen Partikeln (Pyroklastika). Eine grobe
Unterteilung der Pyroklastika erfolgt in lockere vulkanischen Auswurfsprodukte
(Tephra) und deren feste Äquivalente (Tuffe).
12
Einteilung der Tuffe (Abb. 3.4 und Abb. 3.5):
•
•
Asche: feine Partikel mit einem Durchmesser unter 2 mm.
Lapilli: können unter anderem losgerissene Bruchstücke von bereits zuvor
verfestigtem vulkanischen Material sein, die sich während des Fluges zu
runden Körnern zusammenballen und abkühlen. Ihre Durchmesser liegen
zwischen 2 nm1 und 64 mm.
•
BO/nben und Blöcke: haben einen Durchmesser über 64 mm.
Classifi etllic1n 'lOd nnmcnclalurc of pyrocla!<its amJ wcJl-sortcll pyroda~tic deposits
bascd on dust ,iLo (afto r Schmid. 1981. Tab!<: I).
Clast si?c
ihmm.
Pyr()(; last
Mainly unt'on:-; olidatcd:
(L'F h,"
bomb. hlock
agglomerate
bed of blocks or
bomb. block lcpitra
Mainly clmsolidal(;,l:
pyrodastic rock
agglomerate
pyroc!nstic brcccia
64
lapillus
2
coarsc
a.~ h
IaYt:r. hcd of lupilli
or lapilli lephra
grain
coars.c ash
lapilli luff
,'''arsc(ash) luff
1/1 6
fine 3sh grain
fi ne .sh (clu~t)
(dust gra in)
fine (ash) tuff
(dusl lUft)
Abbildung 3.4: Einteilung der Pyroklastika nach Korngräße
BlÖCke und Bomben
>604mm
Laplllf-
TutfBreccie
BreccJe
Abbildung 3.5: Nomenklatur der Pyroklastika
13
3.2.9
Tuff
Ein vulkanischer Tuff ist ein verfestigtes vulkanisches Lockermaterial bzw. ein
verfestigtes vulkanisches Auswurfprodukt mit einer Komgröße < 2 mm.
3.2.10 Tuffit
Tuffit bezeichnet einen gewöhnlich gut geschichteten, umgelagerten und somit
nach Komgröße sortierten Tuff mit Sedimentlagen oder -anteilen.
14
4 Probengebiete
Oie Beprobung erfolgte am 09. August 2003 mit Unterstützung von Herrn Or.
Ingomar Fritz (Steiermärkisches Landesmuseum Joanneum, Abteilung tur
Geologie und Paläontologie), Herrn Ao. Universitätsprofessor Or. Johann Raith
(Institut tur Mineralogie der Montanuniversität Leoben) und Henn Or. Norbert
Schleifer (Institut für Geophysik der Montanuniversität Leoben). Insgesamt
wurden vier Lokalitäten beprobt (Tab. 4.1, Abb. 4.1).
~öch
KL-SB
KL-BH1
!Bad Gleichenberg
!BtlrgKapfenstein
iBeistein (Petersdorf I)
"Sonnenbrenner" -Basalt
blasige Basaltschlacke
BG-AL 2 Latit
KA-ALT 3 Asche-Lapilli -Tuff
BST-Tl
Asche-Lapilli-Tuff
Tabelle 4.1: Übersicht der Vulkanitproben. Die Bezeichnung der Proben ergibt
sich aus der Lokalität (z.B.: KL für Klöch) und der Gesteinsart
(z.B.: SB "Sonnenbrenner "- Basalt).
Abbildung 4.1: Gebiet der Oststeiermark mit den vier beprobten Lokalitäten (aus
Interaktivem RohstojJInformationsSystem - iris- metallogenetische
Karte von Österreich) .
15
4.1 Klöch
Die Proben wurden aus dem Klöcher Basaltwerk (Firma Stürgkh-Hrusak und Co
Beteiligungs-AG) (Abb. 4.2) entnommen. Das Material stammt aus dem Mittelteil
des Steinbruches der Etage 0 und von Schutt- und Abraumhalden der höheren
Etagen.
Abbildung 4.2.' Probenpunkt Klöch (Austrian MAP, 1:500.000)
Das Klöcher Massiv umfasst im Norden den Kindsbergkogel (Stratovulkan),
aufgebaut aus Schlacken, Tuffen und basaltgefüllten Radialspalten, und im Süden
den Kesselkrater des Seindis.
Die Lokalität wird bestinlli1t von einem Nephelinbasanitmassiv aus dem Plio-/
Pleistozän mit basischer Zusammensetzung. Nach WINKLER-HERMADEN (1939,
1951a) ist der Kesselkrater (Caldera) in eine feine Tuffdecke und deren
sedimentäre Unterlage eingesenkt. Die basaltische Kesselfüllung und ihre
Randbildungen grenzen mit einer eher steil in die Tiefe niedersetzenden Fläche
teils an Tuffe, teils an smmatische Schichten und pliozäne Schotter. Weiters
rekonstruierte WINKLER (1913) folgendes Ausbruchsgeschehen: Nach einer ersten
vulkanischen Tätigkeit, in der hauptsächlich sehr schön geschichtete Tufflagen
ablagert wurden, erfolgte ein zweiter, explosionsartiger Ausbruch, der den
Untergrund samt den Tuffen vulkantektonisch zerlegte. Es kam zur Steilstellung
von Schichten und zur Ausbildung eines Einbruchsbecken, welches sich nach der
explosiven Phase mit eher ruhig fließender Lava zu füllen begmlli.
16
Der Steinbruch, in dem Lavamassen mit zwischengeschalteten Tuff- und
Schlackenlagen aufgeschlossen sind, befindet sich an der Ostflanke des Seindls.
Es können vier verschiedene Mineralparagenesen unterschieden werden:
•
Die durch Magmenlaistallisation entstandenen Minerale (idiomorpher
Olivin, Klinopyroxene, Apatit, Analcim und Sanidin)
•
Eingeschwenunte Gesteine aus dem Grundgebirge, Tone, m weiterer
Folge Verglasungen und Mineralneubildung (z.B. Konmd)
•
Pneumatolytische und hydrothermale Mineralisationen in Hohlräumen;
pneumatolytische Bildung von Pyroxen, Nephelin, Magnetit, Analcim und
Apatit in den oberen Bereichen des Eruptivkörpers
hydrothermale Mineralisationen von Pyrit, Aragonit, Kalzit, Apophyllit,
Schichtsilikaten und Zeolithen
•
Bildung von Verwitterungs- und Oxidationsmineralen (Limonit, WadS,
Malachit und Hallyosit)
SIGMUND (1896) und SCHOKLITSCH (1932) erfassten folgenden Mineralbestand
des Nephelinbasanites von Klöch: Die Grundrnasse setzt sich aus idiomorphen
Pyroxenleisten und idiomorphen zonargebautem Plagioklas (Labradorit) mit 50 55% An-Gehalt zusanunen. Nephelin, Apatit, Analcim, Sanidin und Magnetit mit
hohem
Ti-Gehalt
sind
Zwickelfüllungen,
Olivin
und
Pyroxen
bilden
Einsprenglinge. Der Basalt von Klöch ist bekannt für seine Blasenhohlräume, die
mit Zeolithen (vor allem Phillipsit, Tetranatrolith, Chabasit) oder Karbonaten
ausgeldeidet sind. Das Auftreten von Analcim, Nephelin und Na-reichen Sanidin
in kugeligen und netzaliigen Geffigen ist ein typisches Kennzeichen des
"Sonnenbrenner"-Basalts (WINKLER-HERMADEN, 1968).
HAUSER und URREGG (1951) klassifizierten die Basaltvorkommen aufgrund der
Unterschiede in ihrer Entstehungsart. Der sogenannte Hart-Basalt ist dunkel,
blaugrau, zeigt zum Teil eine schöne Säulenentwicklung und ist im Südteil und
der Mitte des Steinbruches sowie in den tieferen Anteilen im Norden zu finden.
Der plattige Weich-Basalt tritt in oberen Bereichen des Steinbruchs im Norden
und zum Teil im Hangenden mittig und südlich auf. Die blasige Basaltschlacke
hat die geringste Druckfestigkeit und ist in den obersten Bereichen vertreten. Die
Homogenität der Basaltschlacke variiert.
5
Wad ist ein Manganoxid
17
4.2 Bad Gleichenberg
Schuttkörper aus dem alten Steinbruch an der Südseite der Gleichenberger Klause
lieferten das Material für die Probennahme. Der Latit von Gleichenberg (Abb.
4.3) wird dem älteren, miozänen Vulkanismus zugeordnet.
Abbildung 4.3: Probenpunkt Bad Gleichenberg (Austrian MAP, 1:500.000)
Der Quarztrachyt im ehemaligen Steinbruch im Schaufelgraben ist gebankt und
hat eine feinkörnige Grundmasse aus Kalifeldspat, Quarz, Biotit, Apatit und
Zirkon. Einsprenglinge sind bis zu cm große Quarze, Sanidin, zonargebauter
Plagioldas und titanreicher, opacitisierter Biotit. Pyrite überziehen als Krusten
einzelne Komponenten. Das Besondere an diesem Gestein ist das gemeinsame
Vorlcommen von Andesin, Sanidin und Quarz.
Elliptische Einschlüsse von tonigem Material (v.a. Montmorillonit; HÖLLER,
1964) sind entweder Bestandteile eines tieferliegenden Tuffareals oder sekundär
veränderte glasige Partien.
Die Grundmasse des rötlich, gelblichen und blaugrauen Trachyandesits (Latit) der
Klause bei Bad Gleichenberg besteht aus Labradorit, Pyroxen, Magnetit, Hämatit
und Apatit. Einsprenglinge sind diopsidischer Augit, Olivin, titameicher und
opacitisierter Biotit und Plagioklas. Opalisierung, Tridymit- und Chalzedonbildung
sind
Zeichen
postvulkanischer
Tätigkeit
(weitere
sekundäre
Veränderungen wie Anulitbildung ("Trass"), Kaolinisierung und Montmorillonit-
18
bildung gibt es nicht 111 der Klause, sind aber 111 der näheren Umgebung
verbreitet).
4.3 Burg Kapfenstein
Die Proben von Burg Kapfenstein (Abb. 4.4) stammen aus einer Schutthalde in
einer Kehre Richtung Burg, am Fuße des dortigen Geo-Trails.
Abbildung 4.4: Probenpunkt Burg Kapfenstein (Austrian MAP, 1:500.000)
Lagen aus
Asche-Lapilli-Tuffen und
Pyroklastika,
sowie Olivinbomben,
Hornblende-Kristalle und Graniteinschlüsse sind charakteristisch für diese
Lokalität.
WINKLER-HERMADEN beschrieb 1957 mehrere Explosionsphasen
111
diesem
Gebiet, die zur Bildung von unterschiedlichen Vulkaniten führten. Die älteste
Phase ereignete sich im SW und führte zur Bildung von gut geschichteten
Lapillituffen. Neben grobem Sedimentmaterial findet man auch noch Kalke,
Sande und Granitschollen eingeschlossen. Während einer nächsten vulkanischen
Tätigkeit wurden
die
alten
Schichten aufgestellt,
sodass
die jüngeren
Ablagerungen, vor allem Tuffe, tuffitische Sandsteine und Seetone, diskordant
zum Liegen kommen. Das Hangende wird von schlecht geschichteten, harten und
dunklen Tuffen gebildet.
Das Material stammt aus e111em Tuffschlott, welches sich mit einbrechenden
Material wie Mergel und Schotter (rein und reif) aus dem Pannon vermischte oder
wechsellagerte. Die Litholdasten stammen aus den umgebenden Gesteinen.
19
4.4 Beistein
In Beistein (Katastralgemeinde Petersdorf I) (Abb. 4.5) konnte nachstehende
Schichtabfolge beobachtet werden (Tab. 4.2):
hangend
geschichtete Asche-Lapilli-Tuffe
Diskordanz
Fall out
liegend
Pyroklastika
Tabelle 4.2: Schichtabfolge des Aufschlusses bei Beistein
In den Asche-Lapilli -Tuffen waren Entgasungsschlote ("degasing pipes"),
Olivinbomben (mit zum Teil basaltischen Krusten), Blöcke von mitgerissenen
prävulkanischen Sedimenten und mergelige Klasten zu finden. PÖSCHL (1991 a,
b) beobachtete und untersuchte phreatomagmatische Eruptionserscheinungen vor
Ort.
Im mittleren Teil des Gebietes wurden im Schlotbereich Tonlagen, Holzstücke,
Fossile, sowie grobe ldastische Komponenten (Schotter und Tuff-Sphäroide)
entdeckt. Der südliche Teil wird als Lahar interpretiert. Im Hangenden kam es zur
Bildung von einem Maarsee. Die Probe wurde aus abgebrochenem Schutt
entnommen.
Abbildung 4.5: Der Ort Beistein in der Oststeiermark (Austrian MAP, 1:50.000)
20
5 Petrologie
Die Petrologie in diesem Kapitel gibt die von der Bearbeiterin selbst beobachteten
petrologisch
und
mineralogisch
erfassten
Untersuchungen
wieder.
Die
Beschreibungen basieren auf Untersuchungen an Handstücken und Dünnschliffen.
5.1 Klöch
Folgende Gesteine konnten im Steinbruch von Klöch beprobt werden:
5.1.1
KL-BH1
blasige Basaltschlacke (homogen)
I(L-SB
"Sonnenbrenner"-Basalt
Blasige Basaltschlacke (KL-BH1)
Diese hochporöse Probe zeigt im Handstück eine deutlich rote und rotbräunliche
Farbe. Diese ergibt sich aus der Oxidation von Fe2+ zu Fe3+. Die Poren haben eine
Größenordnung im flm bis cm Bereich, nehmen an die 50 % der Probenmasse ein
und deuten auf eine gasreiche Explosion hin.
Im Dünnschliff ist eine aus zum Teil zonargebauten Pyroxenen, opake Phasen und
sekundären Fe-Mineralen aufgebaute Matrix zu erkennen. Die auftretenden
Phänokristalle sind IUinopyroxene und eisenhältige rötliche Formrelikte. Dies
bedeutet, dass ursprüngliche Formen von Kristallen erhalten bleiben und durch
andere (in diesem Fall eisenhaltige Sekundärminerale) ersetzt werden.
5.1.2
"Sonnenbrenner"-Basalt (KL-SB)
Im Handstück zeigt der "Sonnenbrenner"-Basalt ein porphyrisches Gefüge. Das
Gestein zeigt einen homogenen und einheitlichen Aufbau. Brüche verlaufen
zwischen den Komponenten. Der "Sonnenbrenner"-Basalt zerfällt bei längerer
Sonneneinstrahlung.
Die feine Matrix wird aufgebaut aus Plagioklas, leistenförmigen Klinopyroxenen
und opaken Phasen (Magnetit) und besitzt ein intersertales Gefüge. Nach
TAUCHER (1989) sind auch noch Orthopyroxene, Nephelin, Apatit und Leucit in
21
der Grundmasse des "Sonnenbrenner"-Basalts vorhanden. Die auftretenden
Phänokristalle sind vielfältig. Klinopyroxene sind an ihrem Zonaraufbau, der
schiefen Auslöschung und Mirkoeinschlüssen erkennbar. Titanaugite (ein
Klinopyroxen)
zeigen
die
für
Sie
typische
"Sanduhrstruktur".
Augit,
Olivinkristalle, Plagioklas, Magnetit und Biotit sind ebenfalls vorhanden.
Umgewandelte vulkanische Gläser zeigen rundliche, konzentrische Strukturen
sowie Alterationserscheinungen die eine rote Färbung ergeben. Klinopyroxene
(Cpx) sind zum Teil chloritisiert und werden zu Biotit umgewandelt. Die schwach
ausgeprägte
Eimegelung
mancher
Cpx-Minerale
ist
em
Hinweis
auf
Fließstrukturen. Mirkorisse sind mit sekundär gebildeten Mineralen verfüllt,
welche nicht näher bestimmt werden konnten. Weitere Phänokristalle wie
Nephelin und Analcim sind in der Literatur beschrieben, konnten aber im
vorliegenden Dünnschliffen nicht mit absoluter Sicherheit ausgemacht werden.
5.2 Bad Gleichenberg
5.2.1
Latit
Der Latit von Bad Gleichenberg ist ein massives vulkanisches Gestein mit
porphyrischem Gefüge. Sowohl im Handstück als auch im Dünnschliff sind zwei
Teilbereiche zu erkennen: der Trachyandesit-Teil besteht aus Plagioldas-, Biotitund Klinopyroxen-Phänokristallen, die sich in einer Grundmasse aus Plagioldas
und wahrscheinlich auch Sanidin befinden. Aufgrund der Feinstkörnigkeit der
Matrix konnten keine weiteren Bestandteile erfasst werden. In der Literatur sind
der Grundmasse noch Pyroxen, Magnetit und Hämatit zuzuordnen. Die großen
Plagioklas-Kristalle zeigen zum Teil eckigen Zonarbau und Reaktionssäume im
Randbereich (im Dünnschliff sichtbar durch schwarze Umwachsungen). Der
Biotit ist nicht frisch, sondern zeigt Opacitierung (schwarzer Rand).
Der zweite Teil ist eine Tufflage mit Fragmenten und Bruchstücken von
Vulkaniten und zerbrochenen Plagioldasen. Diese Gefüge deutet auf mehrere
zähflüssige Lavaströme hin. Durch auftretende Ruhephasen kommt es zu Ausund Rekristallisationen.
22
5.3 Burg Kapfenstein
5.3.1
Asche Lapilli-Tuff (KA-ALT 3)
Die Probe aus Burg Kapfenstein ist ein Mischprodukt aus Asche-Lapilli-Tuffen
und Sedimentmaterial. Dies kann durch das Auftreten einer nur schwach
vulkanitisch ausgeprägten Grundmasse und sedimentären Komponenten erklärt
werden.
Die vorliegende Probe besteht aus einer feinen, inhomogenen, bräunlichen und
gelblichen Matrix, die zum Teil Phyllosilikate enthält. In diese sind verschiedene
Komponenten eingebaut, deren Größe zwischen wenigen mm und acht cm liegt.
Der hohe Anteil an polylaistallinen und monokristallinen Quarzen ist dominant.
Ehemalige, transportierte Vulkankomponenten mit Einschlüssen von vielen
Klinopyroxenen und wenigen Olivinkristallen sind zu beobachten. Weiters findet
man kleine Olivinbomben, Magnetite, detritäre Glimmer, Plagioklase, Pyroxene,
sekundäre Fe-Minerale (Fe-Hydroxide), Tonschiefer- und Glaskomponenten. Im
Allgemeinen haben alle Komponenten eine runde oder ovale Form. Poren und
Blasen sind in diesem Gestein selten.
5.4 Beistein
5.4.1
Asche-Lapilli-Tuff
Die Probe aus Beistein wurde im Gelände als Asche-Lapilli-Tuff angesprochen.
Die mineralogisch-petrologischen Untersuchungen zeigten aber, dass es sich um
einen Tuffit mit brauner Matrix und hellen sowie dunklen Phänokristallen und
Ge steins fragmenten (= Xenolithe) handelt. Das Vorkommen von Poremäumen ist
selten.
Im Dünnschliff ist zu erkennen, dass sich die Matrix unter anderem aus detritärem
Biotit, Klinopyroxen, feinkörnigem Quarz, neugebildeten Phyllosilikaten und
Schlackemesten aufbaut. Diese Mischung aus vulkanischen und sedimentären
Komponenten deutet auf Umlagerung (Anwesenheit von Quarz und detritärer
Glimmer) und Transport hin.
23
Als Komponenten sind sowohl polykristalline, feine, undulös auslöschende
quarzitische Komponenten als auch grobe, monolaistalline Quarzminerale
auszumachen. Klinopyroxen, Biotit, Olivin, basaltische Hornblende, wenig
Plagioklas, sekundäre Fe-Minerale und Schlackenreste sind zudem zu erwähnen.
Opake Minerale sind nur aldczessorisch vorhanden. Lithische Bruchstücke von
Basalt, Granit und Gneis treten auf. Mergelige Komponenten 6 sind grobkörnig
und zeigen Ränder mit Relaistallisierungserscheinungen.
6
Mergel, ein Sedimentgestein, ist eine Gemisch aus Ton und Kalk
24
11. Petrophysikalischer
Teil
25
6 Labormethodik
6.1 Einleitung
Der Großteil der Untersuchungen wurde im petrophysikalischen Labor am Institut für
Geophysik an der Montanuniversität Leoben durchgeführt. Die Messungen umfassten
die Bestimmung der Porosität, der seismischen Geschwindigkeit, der thermischen
Leitfähigkeit und der magnetischen Eigenschaften. Die Zusammenarbeit mit der TU
Clausthal elmöglichte die Messung der spektralen induzierten Polarisation (SIP) der
Vulkanite.
Die jeweiligen Messverfahren erforderten unterschiedliche Probenformate. So wurden
aus den jeweiligen Handstücken Würfel mit einer Kantenlänge von 10 cm vorbereitet,
sowie zylindrische Proben mit zwei unterschiedlichen Formaten erbohrt.
Die Größe der Würfel (Abb. 6.1) ist bedingt durch die Verwendung der Halbraumsonde
TK04 zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit. Die Sonde benötigt eine Probenfläche
mit einem Durchmesser von mindestens 88 mm. Drei senkrecht zueinander stehende
Würfelflächen werden jeweils als X-, Y - und Z-Ebene bezeichnet. Im Falle einer
erkennbaren Schichtung oder Schieferung, liegt die X-Ebene parallel dazu.
Abbildung 6.1: Probenwiilfel mit Beschriftung
26
Da im Falle der Vulkanite keine orientierten Handstücke entnommen wurden und
optisch keine Schichtung (X-Ebene) zu erkennen war, erfolgte die Bezeichnung
willkürlich.
Die zylindrischen Proben für magnetische Untersuchungen haben einen Durchmesser
von 24,5 mm und eine Länge von etwa 21 rnm. Proben die zur Bestimmung der SIP
benötigt wurden, haben einen Durchmesser von 20 mm und eine Länge von etwa 40
mm.
6.2 Korndichte und Porosität
Die
Komdichte
[g/cm3]
einer
Gesteinsprobe
erlaubt
Rückschlüsse
auf die
mineralogische Zusammensetzung. Die Komdichte ist das Verhältnis von Gewicht zu
Volumen der festen Materie eines Gesteins. Eine Übersicht der Komdichte zahlreicher
Minerale fIndet sich unter anderem in SCHÖN (1996). Der folgende Auszug aus dieser
Tabelle zeigt (Tabelle 6.1), dass gesteinsbildende Minerale im Allgemeinen eine
Korndichte zwischen 2.1 und 3.5 g/cm3 besitzen, während Erze Komdichten von über
4.0 g/cm3 erreichen.
Anhydrit
Anorthit
Biotit
CaAI-Pyroxen
Calcit
Chlorit
Dolomit
Epidot
Fluorit
Galenit
Gips
Halit
Hämatit
Hornblende
2,963
2,76
2,9
3,36
2,71
2,8
2,866
3,587
3,179
7,598
2,305
2,163
5,275
3,08
Illit
Kaolinit
Magnetit
Montmorillonit
Muscovit
Orthoklas
Pyrit
Quartz
Rutil
Serpentin
Siderit
Sphalerit
Spinel
Talk
Tabelle 6.1: Die Korndichten Pg ausgewählter Minerale (aus
2,66
2,594
5,2
2,608
2,831
2,57
5,011
2,648
4,245
2,6
3,944
4,089
3,583
2,784
SCHÖN,
1996).
Die Porosität ergibt sich aus dem Verhältnis des Volumenanteils des Porenraums zum
Gesamtvolumen der Gesteinsprobe.
27
(mgl-mtJ
(m gl - mg,.,}
(6.2.1)
(6.2.2)
Eine Methode zur Bestimmung von Korndichte und Porosität ist das archimedische
Prinzip.
Vier
Größen
müssen
dazu
bestimmt
werden.
Das
Gewicht
der
trockenen Proben in Luft mtl , das Gewicht der wassergesättigten Probe in Luft mgI, das
Gewicht der wassergesättigten Probe in Wasser m gw und die Dichte des Wassers PH2o.
Mit den folgenden Formeln 6.2.1 und 6.2.2 lassen sich die Korndichte pg und die
Porosität <l> ermitteln.
6.3 Magnetik
Die magnetische Suszeptibilität
K
der Proben wurde mit Hilfe zylindrischer Proben
(Länge ca. 21 mm; Durchmesser 24,5 mm) als auch an den Würfelflächen bestimmt.
Die magnetische Suszeptibilität beschreibt das Verhalten eines Materials innerhalb
eines Magnetfelds . Dieses Verhalten erlaubt Rückschlüsse auf die Mineralogie und den
Gehalt an stark magnetischen Mineralen wie Fe-Sulfide und Fe-Ti-Oxide.
Daneben können über die Bestimmung der magnetischen Anisotropie, d. h. der
Richtungsabhängigkeit der Suszeptibilität, Aussagen über die Eimegelung der Minerale
getroffen werden.
Die Suszeptibilität der zylindrischen Proben wurde mit einem Kappameter gemessen
und jeweils drei Würfelflächen (X-, Y- und Z-Ebene) mit einem Bartington MS2E
Sensor kartiert. Zu diesem Zweck wurden die drei Würfelflächen in ein Messgitter von
2 x 2 cm untelieilt.
Bei den Zylindern wurden zu Vergleichszwecken die ermittelten Werte auf die Masse
normiert (massenspezifische Suszeptibilität in m 3/kg), während bei der Kariierung der
Wfufelflächen
die
volumenspezifische
Suszeptibilität
(in
SI
keine
Einheit)
aufgenommen wurde. Der Sensor MS2E erfasst bei der Messung eine Fläche von 3.8 x
10.5 mm 2 •
28
Der Messwert wird dabei zu 50 % von den Gesteinseigenschaften bis 1 lllin Tiefe
beeinflusst. In einer Tiefe von 3.5 mm wirken sich die magnetischen Eigenschaften nur
noch zu 10 % auf den Messwert aus.
Zur Identifikation feno- und paramagnetischer Minerale dient die Ennittlung der CurieTemperatur Tc. Die Curie-Temperatur definiert die Temperatur, ab der fenomagnetische
Minerale ein paramagnetisches Verhalten zeigen. Fenomagnetische Minerale, wie z. B.
Magnetit (Tc = 578 0c) und
Hämatit (Tc = 675°C),
welche die magnetischen
Eigenschaften eines Gesteins dominieren, besitzen eine definierte Curie-Temperatur,
mit der sie sich identifizieren lassen.
Die Sättigungsmagnetisierung Ms erlaubt ebenfalls Rückschlüsse auf die Mineralogie
eines Gesteins. Sie definiert die Stärke des Magnetfeldes bei der ein Gestein gesättigt
ist, d.h. alle magnetischen Momente in Richtung des vorhenschenden Feldes
ausgerichtet sind. Daneben erlaubt M s auch Rückschlüsse auf die Größe der
magnetischen Domänen und damit der Größe der ferromagnetischen Minerale.
6.4 Wärmeleitfähigkeit
Die Übertragung von Wärme in Gesteinen ist abhängig vom mineralischen Aufbau und
der inneren Struktur. Sie erfolgt durch Wärmeleitung, Wälmestrahlung und Konvektion.
Die Wälmeleitf<ihigkeit eines Stoffes gibt Auskunft über sein Vermögen in seinem
Inneren Wälme zu transpOltieren.
In
festen
Stoffen
Wärmetransport
resultiert
über
die
Wärmeleitf<imgkeit
hauptsächlich
Elektronen
(Elektronenleitung)
und
über
aus
dem
Gitteratome
(Gitterleitung).
Die thermische Wänneleitf<ihigkeit wird im Wesentlichen von der Dichte bzw. Porosität
bestimmt. In trockenen Proben olme interne Wärmequelle trägt nur die Wärme leitung
über das Gesteinsgefüge zum Wärmetransport bei.
Die Wärmeleitf<ihigkeit der Gesteinswürfel wurde mit Hilfe der Halbraumsonde TK04
(Abb. 6.2) gemessen. Dabei wird eine lineare Wärmequelle mit definiertem Druck an
die Würfel fläche aufgesetzt und parallel die Aufheizkurve über einen defmierten
Zeitraum (80 s) mit einer Sonde aufgezeichnet. Aus dem logarithmischen Anstieg der
Temperatur während der Heizphase lässt sich die thelmische Wärmeleitf<ihigkeit
29
berechnen. Dabei muss die Heizleistung der Wärmequelle berücksichtigt werden. Die
Heizleistung bei der Untersuchung der Vulkanite und Plattengneise betmg 3 Watt .
• - Mil
Abbildung 6.2: Halbraul11sonde TK04 zur Messung der Wärmeleitfähigkeit.
Alle Gesteinsproben wurden im trockenen Zustand gemessen. Die Bestimmung der
Wärmeleitfähigkeit erfordert eine Probenfläche mit einem Durchmesser von mindestens
88 mm. Entsprechend wurden Würfel mit einer Kantenlänge von 100 mm verwendet.
Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte bei den Vulkaniten in zwei
Raumrichtungen (X- und Z-Ebene). Die Wärmeleitfähigkeit der Plattengneise, welche
eine sichtbare Schichtung besitzen, wurde in allen drei Raumrichtungen untersucht.
6.5 Seismik
Dichte und Porosität dominieren auch die elastischen Eigenschaften bzw. die
Ausbreitungsgeschwindigkeit
von
elastischen
Wellen
m
Gesteinen.
Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit v (m/s) elastischer Wellen in einem Gestein setzt sich aus
den Einzelgeschwindigkeiten der mineralischen Bestandteile, der Poren- bzw.
Kluftfüllung und der Kontaktbedingungen im Gesteinsgefüge zusammen.
Mit Hilfe der elastischen Wellen .können Vorzugsrichtungen innerhalb des Gesteins
ermittelt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf eine mögliche Schichtung.
Die Laufzeit der seismischen Wellen wurde analog zur Wärmeleitfähigkeit an den
trockenen Würfeln und in allen drei Raumrichtungen ermittelt.
Wegen der starken Dämpfung der seismischen Wellen innerhalb der vulkanischen
Gesteinsproben, musste zur Bestimmung der Laufzeiten das Handgerät Ultrasonic
Tester BP7 der Firma Steinkamp verwendet werden. Die Geschwindigkeiten an den
Plattengneisen wurden mit Hilfe des Messaufbaus im petrophysikalischen Labor
ennittelt (Abb. 6.3).
30
Abbildung 6.3.' Ultraschallmessplatz im Petrophysik-Labor des Instituts für Geophysik der
Montanuniversität Leoben
Die Probe wird dazu zwischen einem Geber und Nehmer eingespannt. Ein konstanter
Anpressdruck gewährleistet eine pneumatische Spannvorrichtung. Für die Messung
wird ein i1-Impuls mit einem programmierbaren Oszilloskop generiert. Dieser Impuls
wird im piezoelektrischen Geber in einen mechanischen Impuls umgewandelt. Die
mechanische Welle durchläuft anschließend die Probe und aus der Laufzeit des am
Nehmer aufgezeic1meten Ersteinsatzes der ankommenden Welle und der Dicke der
Probe erfolgt die Berechnung der Geschwindigkeit.
6.6 Elektrische Leitfähigkeit
Im trockenen Zustand wird die elektrische Leitfähigkeit emes Gesteins von der
Leitfähigkeit der Gesteinsmatrix bestimmt. Im wassergesättigten Zustand dominiert die
elektrolytische Leitung des Stromes und die elektrischen Eigenschaften werden
hauptsächlich von den Eigenschaften der Porenlösung und der Konvektivität der Poren
bestimmt. Isolierte Poremäume leisten keinen Beitrag zur Leitung des elektrischen
Stroms.
Die elektrische Leitfähigkeit wurde mit dem Messgerät 4-point-light an den
zylindrischen Proben (d=24,5 mm, 1=21 mm) bestimmt (Abb. 6.4).
31
Abbildung 6.4: Messapparatur 4-point light zur Bestimmung des scheinbaren
elektrischen Widerstands.
Der elektrische Widerstand, der reziproke Wert der elektrischen Leitrahigkeit, der
Proben wurde im trockenen und wassergesättigten Zustand gemessen. Um eine gute
Ankopplung der Strom elektroden zu gewährleisten, wurden mit Leitungswasser
gesättigte Schwämme verwendet. Als
Probenhalter wurde der von Peter Stummer
entwickelte Messaufbau verwendet (Abb. 6.5).
Abbildung 6.5: Messaujbau zu Bestimmung des scheinbaren spezifischen Widerstands an
zylindrischen Proben (aus
STUMMER,
1997).
Mit zwei Netzelektroden wird in gegenüberliegenden Wassertanks em Strom
eingespeist und mit zwei weiteren Elektroden die Potentialdifferenz vor und hinter der
Probe abgegriffen.
32
Aus dem Verhältnis von Potentialdifferenz zu Stromamplitude ergibt sich, unter
Beriicksichtigung der Messgeometrie, der scheinbare elektrische Widerstand pa, dem
Kemwert der elektrischen Leitfähigkeit. Der elektrische Widerstand des Elektrolyts
betrug etwa 0,249 Qm.
6.7
Spektrale Induzierte Polarisation (SIP)
Die Messungen der spektralen Induzierten Polarisation (SIP) konnten am Institut für
Geophysik der TU Clausthal durchgeführt werden.
Bei der SIP wir der spezifische elektrische Widerstand und die Phasenverschiebung
über ein Frequenzspektrum von wenigen mHz bis 10kHz bestimmt. Während der
spezifische Widerstand Aussagen über die Porenlösung und Konvektivität des
Porenraums liefert, kann man über die Bestimmung der Phase, d.h. der zeitlichen
Verschiebung
zwischen
Stromsignal
und
gemessener
Spannung,
zusätzliche
Informationen über Tongehalt, Porenquerschnitt, Komgrößenverteilung und die innere
Oberfläche der Gesteinsprobe erhalten.
Die Messungen wurden mit einer SIP-Fuchs Apparatur (Abb. 6.6) durchgeführt.
Zylindrische Proben mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Länge von etwa 40
mm wurden verwendet und vor der Messung wassergesättigt. Der spezifische
Widerstand der Porenlösung betrug etwa 100 Qm.
Abbildung 6.6: SIP-Fuchs Messapparatur des Instituts für Geophysik der TU Clausthal.
33
7 Petrophysikalische Ergebnisse
Ziel der Untersuchungen war es, die Vulkanphasen, aber auch die Lithotypen mit Hilfe
petrophysikalischer
Parameter
zu
unterscheiden.
Die
Bestimmung
der
Wärmeleitfähigkeit und seismischen Geschwindigkeit in mehreren Raumrichtungen
sollte Aufschlüsse über die Anisotropie der Vulkanite liefern.
Probe
BG-A1..2
88T-T1
KA-ALT3
KL-BH1
KL-SB
Lithotyp
Latit
Asche-Lapilli-Tuff
Asche-Lapi 11 i-Tuff
Basaltschlacke
Basalt
Datierung
Mozän
Pleistozän
Pleistozän
Pleistozän
Pleistozän
Dichte
g'cm3
2,33
2,03
2,28
1,33
2,72
Porosität Korndichte
in%
g'cm3
8,7
2,57
21,0
2,76
13,1
2,68
34,8
2,84
7,2
2,95
Tabelle 7.1: Dichte, Korndichte und Porosität der Vulkanite.
Um einen ersten Überblick zu gewinnen wurden zunächst fünf ausgewählte Lithotypen
untersucht. Die Porosität <D der Proben variiert von 7 bis 35 % und ist bereits ein
Charakteristikum, das zur Unterscheidung dient (Tab. 7.1).
Die geringste Korndichte von 2.57 g/cm3 besitzt der Latit von Bad Gleichenberg, der als
einzige Probe die ältere Vulkanphase des Miözans repräsentiert. Die beiden AscheLapilli-Tuffe des pleistozänen Vulkanismus unterscheiden sich kaum in ihrer
Korndichte, was sich durch die ähnliche mineralogischen Zusammensetzung erklären
lässt.
Die größten Korndichten finden sich bei den Gesteinsproben aus den Klöcher
Basaltwerken.
Sowohl die blasige Basaltschlacke (<D =34.8 %), als auch der "Sonnenbrenner"-Basalt
erreichen Werte von über 2.8 g/cm3 .
34
b)
a)
2--+LLLJ..Ll..l..Ll..LLLLl.l..Ll.Ll..LJ..Ll..l..l..LLLLLl.l..Ll.LLl..l-4---
10000
1.8
Cl
-'"
M"/
X
KL-SB
X
X
1.4
~
.S
~
:ci
""
KA-ALT3
1.6
E
~
•
1000
Cl.
•
BG-AL2
Q)
'"
::J
(j)
.S
.-<!
KA-ALT3
•
N
0.8
•
KL-BH1
•
100
10
15
20
X
KL-BH1
0.4
BST-T1
Cl.
'"
5
BST-T1
X
BG-AL2
0.6
N
Q)
o
1.2
~
KL-SB
25
30
35
0.2
O-+nn~TITITTITITrrnTITTITITTITITrrn~
o
40
5
10
15
20
25
30
35
40
Porosität in %
Porosität in %
Abbildung 7.1: Korrelation der Porosität mit a) der spezifischen Suszeptibilität und b) der
Wärmeleiifähigkeit der Vulkanite.
Korreliert man die Porosität mit dem Logarithmus der spezifischen Suszeptibilität sowie
der Wärmeleitfähigkeit A der trockenen Vulkanitproben, zeigt sich eine generelle
Zunahme beider Parameter mit abnehmender Porosität (Abb. 7.1a und b).
Die Wärmeleitfähigkeit der trockenen Proben findet nur über das Gesteinsgefüge statt.
Wie erwartet wird auch die magnetische Suszeptibilität nur von der mineralogischen
Zusammensetzung beeinflusst.
a)
b)
1200
1200
•
KL-SB
1000
E
E
Cl
Cl
.S
800
.S
c
C
~
Q)
.l!l
~
600
Q)
'0
~
N
600
'0
400
~
•
Q)
Cl.
'"
800
'0
'0
.l!l
•
KL-SB
1000
N
200
• •
0
0
5
'"
KA-ALT3
BG-AL2
10
15
400
•
Q)
Cl.
KL-BH1
KL-BH1
200
• •
0
20
25
30
35
40
Porosität in %
KA-ALT3
BG-AL2
• BST-T1
2.4
2.5
2.6
2.7
• BST-T1
2.8
2.9
3
Korndichte in g/cm 3
Abbildung 7.2: Korrelation des scheinbaren spezifischen Widerstand (Frequenz 3 Hz) mit a) der
Porosität und b) der Korndichte der Vulkanite.
35
Auskunft über die Konvektivität der Poren liefert der scheinbare elektrische Widerstand
Pa der wassergesättigten Proben. Ist eine Konvektivität der Poren gegeben, sollte man
einen Anstieg von pa mit abnehmender Porosität beobachten.
In Abbildung 7.2a sind die beiden Parameter korreliert. Der Anstieg des scheinbaren
spezifischen Widerstands mit abnehmender Porosität lässt sich nur bei den Proben KLSB, KA-ALT3 und BST-Tl beobachten. Obwohl die Porositäten des Latit BG-AL2 und
des "Sonnenbrenner"-Basalts I(L-SB vergleichbar sind, besitzt Ersterer emen
Widerstand von 1100 Qm und Letzterer einen Widerstand von 100 Qm.
Die Erldärung ist, dass der Latit eine höhere Konvektivität der Poren besitzt, d.h. es
kaum isolierte Porenräume gibt und damit ein Großteil der Poren miteinander
verbunden ist und zur elektrolytischen Leitfähigkeit beitragen.
Dagegen besitzt die blasige Basaltschlacke trotz ihrer hohen Porosität einen hohen
elektrischen Widerstand, was bedeutet, dass eine geringe Konvektivität zwischen den
Poren besteht.
Die Korrelation von pa mit der Komdichte zeigt Abbildung 7.2b. Anders als bei den
Proben BG-AL2, KA-ALT3, BST-Tl und KL-BH1, wo die zunehmende Porosität auch
von einer zunehmender Komdichte begleitet wird, verändert sich die Lage des
"Sonnenbrenner"-Basalt durch die größte Komdichte, aber der geringsten Porosität der
fünf Vulkanite. Ob ein signifikanter Einfluss der Mineralmatrix auf den scheinbaren
spezifischen Widerstand besteht, muss durch Messungen an trockenen Proben
untersucht werden. Eine Zusammenfassung der elektrischen und magnetischen
Eigenschaften findet sich in Tabelle 7.2.
Probe
BG-AL2
BST-T1
KA-ALT3
KL-BH1
KL-SB
Lithotyp
Latit
Ache-Lapilli-Tuff
Ache-Lapilli-Tuff
Basaltschlacke
Basalt
Datierung
Suszeptibilität
[10· s] m3 /kg
Miozän
Pleistozän
Pleistozän
Pleistozän
Pleistozän
470,2
256,1
728,0
139,4
1434,1
Pa 3Hz
Phase 3Hz
Ohm-m
89,3
71,2
110,9
355,3
1116,6
mrad
4,5
4,0
21,9
12,3
10,1
Tabelle 7.2: Magnetische und elektrische Eigenschaften der Vulkanite.
Die seismische Geschwindigkeit der Kompressionswelle vp wurde an den Würfeln in
allen drei Raurnrichtungen bestimmt. Abbildung 7.3 zeigt die Korrelation der
Geschwindigkeit mit der Porosität und der Komdichte. Ein überraschendes Ergebnis ist,
dass die Basaltschlacke I(L-BHI trotz hoher Porosität seismische Geschwindigkeiten
36
von 2500 bis über 3000 mls erzielt. Dies lässt sich durch einen engen Verbund der
Bestandteile des Gesteinsgerüstes (Verschmelzung), der offensichtlich eine gute
Übertragung der mechanischen Schwingungen gewährleistet. Anders verhält sich der
"Sonnenbrenner"-Basalt, der trotz hoher Komdichte und geringer Porosität geringe
Geschwindigkeiten von unter 1500 mls erreicht. Die geringere Komdichte des Latits
aus Bad Gleichenberg hat dagegen keinen negativen Einfluss auf die seismische
Geschwindigkeiten.
a)
b)
4000
4000
3500
3500
BG-AL2
X
<:>
3000
~
E
<>
2500
>~
~
E
.S
<:>
~
KA-ALT3 X
BST-T1
.S
2000
BG-AL2
X
<:>
3000
>~
1500
KL-BH1
:s;c:
<>
2500
~ <:>
X
KA-ALT3
BST-T1
2000
1500
x
'"
1000
1000
500
500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
2.4
Porosität in %
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
Korndichte in g/cm 3
Abbildung 7.3: Korrelation der Geschwindigkeit der Kompressionswelle vp mit a) der Porosität
und b) der Korndichte der Vulkanite.
In Tabelle 7.3 sind die Ergebnisse der seismischen und thermischen Untersuchungen
aufgelistet. Die Berechnung des Anisotropiekoeffizienten, sowie des Anisotropiequotienten erlauben den Schluss, das man bei den fünf ausgewählten Vulkaniten nicht
von einer Anisotropie bedingt durch eine Schichtung ausgehen kann. Verantwortlich für
die Abweichungen zwischen den Messrichtungen, die vor allem bei den Proben aus
Klöch auftreten, sind hauptsächlich auf Inhomogenitäten der Mineralogie, Klüfte,
Milaorisse und blasenf6rmige Hohlräume zurückzuführen.
Probe
BG-AL2
BST-T1
KA-ALT3
KL-BH1
KL-SB
v p (x-Ebene) vp (y-Ebene) v p (z-Ebene) Anisotropiekoeff. Anisotropiequ.
m/s
m/s
m/s
(max-min)/max
3055,7
1929,5
2105,6
3049,0
1170,2
2793,0
2131,0
2202,3
3061,3
1151,1
2811,2
2144,7
2125,7
2562,1
974,2
0,13
0,10
0,05
0,22
0,17
minImax
0,87
0,90
0,95
0,78
0,83
Wärmeleitf.
'A. inW/mK
1,24
1,12
1,58
0,57
1,33
Tabelle 7.3: Seismische und thermische Eigenschaften der Vulkanite.
37
Abschließend ist in Abbildung 7.4 die seismische Geschwindigkeit gegen die
Wärmeleitfähigkeit und die Phase, ermittelt durch die spektrale Induzierte Polarisation
aufgetragen.
b)
a)
2
25
•
1.8
<>
1.6
:.::
E
104
KL-SB
1.2
<>
.!:
~
BG-AL2
X
X
X
~
BST-T1
"0
~
E 15
.!:
Q)
<>
(/)
c..'"
0.8
.J:::
0.6
<>
10
KL-BH1
•
•
KL-SB
X
KL-BH1
004
KA-ALT3
20
X
KA-ALT3
5
X
•
BST-T1
0.2
0
BG-AL2
•
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
v p in m/s
v p in m/s
Abbildung 7.4: Korrelation der Geschwindigkeit der Kompressionswelle vp mit a) der
Wärmeleitfähigkeit A, und b) der Phase (Messjrequenz 3 Hz) der Vulkanite.
Bei Probe KL-BHI (Abb. 7.4a) wird eine hohe seismische Geschwindigkeit von einer
hohen Wärmeleitfähigkeit begleitet. Es zeigt sich, dass in diesem Fall die hohe Porosität
zwar einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit, aber kaum einen Einfluss auf
die seismischen Eigenschaften hat. Dieses Verhalten muss jedoch noch durch weitere
Untersuchungen bestätigt werden.
Eine umgekehrte Diskrepanz ergibt sich beim "Sonnenbrenner"-Basalt KL-SB. Dort
wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit von niedrigen seismischen Geschwindigkeiten
begleitet.
Die signifikanteste Unterscheidung der fiinfVulkanite erlaubt Abbildung 7.4b.
Die Phase, gemessen mit einer Frequenz von 3 Hz, aufgetragen gegen die
Geschwindigkeit der Kompressionswelle vp erlaubt eine ldare Trennung der Proben.
Wie weit sich diese ldare Unterscheidung bei der Einbeziehung andere Varietäten
aufrechterhalten lässt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
38
8 Zusammenfassung
Die petrophysikalischen Untersuchungen an den Vulkaniten der Oststeiermark
demonstrieren, dass die Petrophysik wertvolle Informationen im Zusammenhang mit
Mineralogie und Petrologie liefert. Die Anisotropie spielte bei der Untersuchung der
Vulkanite eine untergeordnete Rolle. Hier sollten die petrophysikalische Parameter
gefunden werden, die eine Unterscheidung der Lithotypen erlauben. Unterschiede in der
Einfluß des Porenraumes und die Bindung
Mineralogie, sowie der
der
Mineralbestandteile standen dabei im Mittelpunkt der Untersuchungen.
Eine klare Differenzierung der Vulkanite gelang durch eine Korrelation der
Geschwindigkeit der Longitudinalwelle und der Phase, ermittelt mit Hilfe der spektralen
Induzierten Polarisation. Ob sich diese Differenzierung nach Einbeziehung weiterer
Lithotypen aufrechterhalten läßt, muß sich zeigen.
Einzelne
Varietäten
der
Vulkanite
ergeben
Korrelationen
zwischen
den
petrophysikalischen Parametern, die von allgemein gültigen Erklärungsmodellen
abweichen. Trotz hoher Porosität gewährleistet die Basaltschlacke aus Klöch eine gute
Übertragung der mechanischen Schwingungen. Untersuchungen, die zum Verständnis
dieser Beobachtungen beitragen sollen, sind geplant.. In der nachfolgenden Tabelle 1
soll zusammenfassend gezeigt werden, welche Aussagen die gemessenen Parameter
über das Gefüge, Klüfte und Porosität erlauben.
Elektrische
Elastische
Magnetische
Thermische
Eigenschaften
Eigenschaften
Eigenschaften
Eigenschaften
Gefüge
+
0
0
0
Klüfte
k.A.
+
k.A.
k.A.
Porosität
0
.
+
+
Tabelle 8.1: Zusammenfassende Darstellung von petrophysikalischen Parametern und deren
Verwendbarkeit für die Beobachtung petrographischer Eigenschaften
(" + " - gut geeignet, " 0
" -
geeignet, ,,-" - wenig geeignet, "k. A. "- keine Aussage möglich)
39
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